CN109264505B - 适用于主动/被动送线模式的张力控制器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种适用于主动/被动送线模式的张力控制器及其控制方法,包括一基板及张力设定控制器,所述基板上设置有张力线轮和张力调节机构;其特征在于:还包括伺服电机及张力传感器,对应于该伺服电机设置有PID控制器;所述张力线轮的转轴与所述伺服电机的输出轴传动连接;所述张力传感器的信号输出端与伺服电机驱动控制器的信号输入端电连接;通过所述张力设定控制器预设张力阈值;当所述张力传感器采集到的实时张力值大于或等于所述张力阈值时,所述伺服电机驱动控制器控制伺服电机工作在转矩控制模式;当所述张力传感器采集到的实时张力值小于或等于所述张力阈值时,所述伺服电机驱动控制器控制伺服电机工作在速度模式。

Description

适用于主动/被动送线模式的张力控制器及其控制方法
技术领域
本发明涉及缠绕工艺的张力器,尤其涉及一种基于扭矩伺服电机应用的设定型张力控制方法。
背景技术
目前在马达转、定子制造、小型变压器、继电器线圈等绕线工序中需要使用张力控制器,张力控制器的作用是保证绕线机在绕线过程中保持适当的线上张力,使得绕制的线圈松紧适宜、紧固饱满。
设定型张力控制系统是在通用型的电控张力控制系统上加装了张力预置控制电路,将手动调节张力改为直接输入张力参数给张力控制系统,更具智能化。
但无论何种形式的张力控制器按送线方式区分皆为主动送线式和被动送线式两大类。
主动送线式的突出优点在于控制精度高,对实现低端小张力控制平稳。一般都为恒张力控制方案。主动送线式张力控制器对弹簧的要求严格,不同张力段对应的弹簧不一。要想覆盖整个张力段往往需要大大小小多套弹簧的配合。客户要根据使用的张力段不断更换弹簧。
被动送线式的突出优点是机械简单,对弹簧的要求小,满足覆盖范围,保证收线条件即可。目前市场上被动送丝式张力控制器的缺点是控制精度不高,单一阻尼器的控制范围窄,不能做到恒张力控制。
发明内容
本发明目的是提供一种适用于主动/被动送线模式的张力控制器及其控制方法,不需要改变张力器的结构,可根据实际需要自动选用主动送线模式或被动送线模式。
为达到上述目的,本发明采用的第一技术方案是:一种适用于主动/被动送线模式的张力控制器,包括一基板及张力设定控制器,所述基板上设置有张力线轮和张力调节机构,张力线轮转动支撑在基板上,所述张力调节机构包括张力杆、拉簧及拉簧调节装置,拉簧设于张力杆与拉簧调节装置之间;其创新在于:
还包括伺服电机及张力传感器,对应于该伺服电机设置有PID控制器;
所述张力线轮的转轴与所述伺服电机的输出轴传动连接;
所述张力传感器的信号输出端与伺服电机驱动控制器的信号输入端电连接;
通过所述张力设定控制器预设张力阈值;
当所述张力传感器采集到的实时张力值大于或等于所述张力阈值时,所述伺服电机驱动控制器控制伺服电机工作在转矩控制模式,并通过PID控制器控制调节伺服电机输入电流从而调节伺服电机的转矩,启用张力器的被动送线模式,以保持运行张力值与张力阈值相同;
当所述张力传感器采集到的实时张力值小于或等于所述张力阈值时,所述伺服电机驱动控制器控制伺服电机工作在速度模式,并通过PID控制器控制调节伺服电机输入脉冲的频率从而控制伺服电机的转速,启用张力器的主动送线模式,同时,所述拉簧调节装置调节拉簧,以保持运行张力值与张力阈值相同。
为达到上述目的,本发明采用的第二技术方案是:一种适用于主动/被动送线模式的张力控制方法,包括一基板及张力设定控制器,所述基板上设置有张力线轮和张力调节机构,张力线轮转动支撑在基板上,所述张力调节机构包括张力杆、拉簧及拉簧调节装置,拉簧设于张力杆与拉簧调节装置之间;其创新在于:
还包括伺服电机及张力传感器,对应于该伺服电机设置有PID控制器;
所述张力线轮的转轴与一伺服电机的输出轴传动连接;
通过所述张力设定控制器预设张力阈值;
所述张力传感器将其采集到的实时张力传输至伺服电机驱动控制器;
当所述张力传感器采集到的实时张力值大于或等于所述张力阈值时,所述伺服电机驱动控制器控制伺服电机工作在转矩控制模式,并通过PID控制器控制调节伺服电机输入电流从而调节伺服电机的转矩,启用张力器的被动送线模式,以保持运行张力值与张力阈值相同;
当所述张力传感器采集到的实时张力值小于或等于所述张力阈值时,所述伺服电机驱动控制器控制伺服电机工作在速度模式,并通过PID控制器控制调节伺服电机输入脉冲的频率从而控制伺服电机的转速,启用张力器的主动送线模式,同时,所述拉簧调节装置调节拉簧,以保持运行张力值与张力阈值相同。
为达到上述目的,本发明采用的第三技术方案是:一种适用于主动/被动送线模式的张力控制方法,应用于张力器,其创新在于:
所述张力器上的张力线轮由伺服电机驱动,通过张力传感器采集张力器输出的实时张力值;
首先预设一张力阈值;
当所述实时张力值大于或等于所述张力阈值时,所述伺服电机驱动控制器控制伺服电机工作在转矩控制模式,并通过PID控制器控制调节伺服电机输入电流从而调节伺服电机的转矩,启用张力器的被动送线模式,以保持运行张力值与张力阈值相同;
当所述实时张力值小于或等于所述张力阈值时,所述伺服电机驱动控制器控制伺服电机工作在速度模式,并通过PID控制器控制调节伺服电机输入电流从而控制伺服电机的转速,启用张力器的主动送线模式,同时,所述张力器上的张力调节机构调节输出的运行张力值,以保持运行张力值与张力阈值相同。
上述方案中,所述拉簧调节装置包括拉簧块、导轨、直线驱动机构及电机,所述拉簧块移动设置在导轨上,电机通过直线驱动机构驱动拉簧块沿导轨移动;
所述张力杆的一端转动支撑于基板上;
所述拉簧的一端固定在张力杆上,拉簧的另一端固定在拉簧块上。
上述方案中,所述拉簧调节装置包括拉簧杆、拉簧杆转轴及电机;
所述拉簧杆通过拉簧杆转轴转动支撑在所述基板上,拉簧杆转轴与电机输出轴之间传动连接;
所述张力杆的一端转动支撑于基板上;
所述拉簧的一端固定在张力杆上,拉簧的另一端固定在拉簧杆上。
上述方案中,所述张力传感器设于张力设定控制器上或独立于张力设定控制器。
上述方案中,所述张力设定控制器为现有技术,用于预设张力值以及控制输出的张力值。
上述方案中,在张力器处于被动送线模式下,只要求电机输出一个恒转矩,这就是使伺服电机工作转矩模式下;
转矩控制模式是通过外部模拟量的输入来设定电机轴对外的输出转矩的大小,具体表现为多少电流(或电压)对应多少转矩,在张力器的电机驱动控制器中预置了电流转矩对应数组,当张力器设定某一张力控制值时,其张力值对应电机输出转矩是一定的,查找对应数组,此转矩应输入的外部模拟量也被同时设定,同样对应电机轴应输出转矩也被设定,PID控制器通过反馈电路将实时电流数据与设定的电流值进行对比,从而对外部输入模拟量进行实时调节;当反馈电路检测到输入电机的电流值小于设定值时,说明此时电机轴输出转矩小于设定值,电机驱动器会加大外部模拟量输入;当反馈电路检测到输入电机的电流值等于设定值时,说明此时电机轴输出转矩与设定值匹配;当反馈电路检测到输入电机的电流值大于设定值时,说明此时电机轴输出转矩大于设定值,电机驱动器会减小外部模拟量输入。可以通过即时的改变模拟量的输入大小来改变设定的力矩大小,从而实现阻尼的恒定,达到恒张力输出的目的。
上述方案中,启用张力器的主动送线模式,回避了电机在被动模式下需要克服从静止到转动的启动扭矩,应对于张力要求低于电机启动扭矩的控制;
张力器的主动送线模式时,控制伺服电机工作在速度模式下。伺服电机驱动控制器通过脉冲频率进行转动速度的控制。伺服电机速度模式下通过检测的电机编码器的信号来进行负反馈PID调节,它的环内PID输出直接就是电流环的设定,所以速度环控制时就包含了速度环和电流环,换句话说任何模式都必须使用电流环,电流环是控制的根本,在速度和位置控制的同时系统实际也在进行电流(转矩)的控制以达到对速度和位置的相应控制。
张力器的主动送线模式时,张力设定控制器将设定张力信号与实时采集到的张力信号模拟量转化为脉冲频率信号,在张力控制部分电路中将设定张力信号脉冲频率与实时采集到的张力信号频率进行对比,通过伺服电机驱动控制器PID实时调节电机转速,纠正设定值与实时值之间的偏差,从而保持送线速度跟随缠线速度恒定,以实现恒张力输出目的。
为达到上述目的,本发明采用的另一技术方案是:一种适用于主动/被动送线模式的张力控制方法,应用于张力器,其创新在于:
所述张力器上的张力线轮由伺服电机驱动,通过张力传感器采集张力器输出的实时张力值;
首先预设一张力阈值;
当所述实时张力值大于或等于所述张力阈值时,所述伺服电机驱动控制器控制伺服电机工作在转矩控制模式,并通过PID控制器控制调节伺服电机输入电流从而调节伺服电机的转矩,启用张力器的被动送线模式,以保持运行张力值与张力阈值相同;
当所述实时张力值小于或等于所述张力阈值时,所述伺服电机驱动控制器控制伺服电机工作在速度模式,并通过PID控制器控制调节伺服电机输入电流从而控制伺服电机的转速,启用张力器的主动送线模式,同时,所述张力器上的张力调节机构调节输出的运行张力值,以保持运行张力值与张力阈值相同。
上述方案中,伺服驱动控制系统(伺服电机)通过矢量控制算法,在各种情况下,根据伺服电机的特性适当的选择增磁或弱磁,保持恒定的扭矩输出,除了选择矢量控制FOC技术以外,通过算法对高速拖动突然停止时的能量泄放,以提高制动性能以及快速动态响应性能。采用SVPWM控制,通过调制技术最大化母线电压的利用率,为获得高精度的扭矩提供必需的条件。传统的电流环控制,是分别对两个轴的电流进行反馈控制。但是忽略了交、直电流环的相互耦合作用,导致系统动态性能较差。为提高系统动态性能,采用以反馈电流为输入的电压前馈来实现两个轴电流环的解耦控制。这样实现系统与传统的电流环控制相比较,调节时间更短,调节精度更高,动态性能更好,达到更高的扭矩输出控制以及响应。
扭矩反馈,选择母线电流反馈。电路采用低成本的三电阻采样技术,可以准确读取相电流信息,通过反馈母线电流值,由单片机计算得到电机的扭矩。这样做的好处是省掉了电机的力矩传感器。使整个产品的安装变为简单,同时还可以实时输出检测被拖转的电机转速值,输出电机的扭力值。
本发明中的伺服驱动器采用双环控制,电流环和速度环根据不同的状态下进行自动切换,满足主动送线式张力控制和被动送线张力控制的需求。
上述方案中,当所述伺服电机工作在转矩控制模式时,张力器处于被动送线张力控制模式,所述拉簧仅作收线用,并非每一个张力值都需要一根收线拉簧。根据伺服电机提供的最大扭矩,可以将整个张力控制范围分成一到两段,由于拉簧在此只起到拉起张力杆收线作用,所以相较于纯主动送线张力控制系统的张力拉簧来说要求降低很多。
在实际绕线中,使用的低端张力不会低于正常张力的60%,所以本发明的张力控制系统中,从被动送线模式切换到主动送线模式,也不用更换拉簧,只需要通过拉簧杆调节装置适当调节拉簧杆的位置(或摆动位置),从而调节拉簧的拉伸量来调节张力。
用户在张力设定控制器上设定一个张力阈值后,拉簧杆调节控制机构就将拉簧杆的、调节到一个位置(或摆动位置)。这个位置是在张力设定控制器中预置的,并且是固定的,但并非只对应一个张力值,而是对应一个张力段内的张力值,条件是满足绕线时张力杆能被拉下,结束绕线时可以将张力杆拉起到合适位置,起到收线作用即可。
拉簧杆调节控制机构就将拉簧杆的调节到一个位置(或摆动位置),依靠的是电机或拉簧杆固定转后端装有,通过编码器输出的位置信号或转动圈数信号实现定位。
由于上述技术方案运用,本发明与现有技术相比具有下列优点和效果:
1、本发明在实时张力大于或等于预设的张力阈值时,采用被动送线方式,这是一种基于扭矩伺服电机控制的控制方法,通过调节伺服电机输入电流控制伺服电机输出扭矩,从而获得需要的阻尼力。充分发挥了伺服电机精度高、响应快、扭矩输出线性度好和一致性好的特点,基于这些优点即使在被动送线的模式下也可以实现恒张力输出。
2、本发明在实时张力小于或等于预设的张力阈值时,通过张力设定控制器指令直接将伺服驱动器的控制方式由扭矩控制模式切换到正常的速度、扭矩模式,张力控制系统工作在主动送线模式。在张力设定控制器的指令下,由另一套电动弹簧调节机构自动调节弹簧的拉伸长度,从而实现低端张力的控制调节;由于低端张力调节范围较小,张力控制系统前期根据被动送线方式要求配置的弹簧已经完全可以满足低端张力控制的要求,所以客户基本不用再去更换弹簧,满足了简便操作的需求。
3、本发明相较于目前市场上的主动送线式设定型张力控制系统,成本优势明显,张力杆和弹簧配置及其调节控制系统更简单。
4、本发明相较于目前市场上的被动送线式设定型张力控制系统,因为用伺服电机替换了磁滞器,使得控制精度更高,控制响应更快,可以实现与主动送线同等效果的恒张力控制。
5、本发明主动送线方式与被动送线方式在同一机型上实现,有效延展了张力控制系统的控制范围,对实际应用的兼容性更强。
附图说明
附图1为本发明实施例工作原理流程框图;
附图2为本发明实施例一张力控制器结构图;
附图3为本发明实施例二张力控制器结构图;
附图4为本发明实施例一及实施例二拉簧调节装置结构图;
附图5为本发明实施例三张力控制器结构图;
附图6为本发明实施例四张力控制器结构图;
附图7为本发明实施例三及实施例四拉簧调节装置结构图。
以上附图中:1、基板;2、张力线轮;3、张力设定控制器;41、张力杆;42、拉簧;43、拉簧块;44、丝杆;45、电机;46、编码器;47、调节滑块;48、拉簧杆;49、蜗轮蜗杆机构;5、绕线机。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述:
实施例一:
参见附图1、附图2及附图4所示,一种适用于主动/被动送线模式的张力控制器,包括一基板1及张力设定控制器3,所述基板1上设置有张力线轮2和张力调节机构,张力线轮2转动支撑在基板1上,所述张力调节机构包括张力杆41、拉簧42及拉簧调节装置,拉簧42设于张力杆41与拉簧调节装置之间。
所述拉簧调节装置包括拉簧块43、导轨、丝杆及电机45,所述拉簧块43移动设置在导轨上并与一调节滑块47固定连接,调节滑块47与丝杆之间通过螺纹连接,电机45输出轴与丝杆传动连接,对应于电机45设置有编码器46,用于控制位置和电机45转动圈数。
所述张力杆41的一端转动支撑于基板1上;所述拉簧42的一端固定在张力杆41上,拉簧42的另一端固定在拉簧块43上。
所述电机45驱动调节滑块47从而驱动拉簧块43沿导轨移动,拉簧块43移动以调节拉簧42,从而调节张力杆41,以此调节张力器的输出张力.
还包括伺服电机及张力传感器,对应于该伺服电机设置有PID控制器;
所述张力线轮2的转轴与所述伺服电机的输出轴传动连接;
所述张力传感器的信号输出端与伺服电机驱动控制器的信号输入端电连接;
通过所述张力设定控制器3预设张力阈值;
当所述张力传感器采集到的实时张力值大于或等于所述张力阈值时,所述伺服电机驱动控制器控制伺服电机工作在转矩控制模式,并通过PID控制器控制调节伺服电机输入电流从而调节伺服电机的转矩,启用张力器的被动送线模式,以保持运行张力值与张力阈值相同;
当所述张力传感器采集到的实时张力值小于或等于所述张力阈值时,所述伺服电机驱动控制器控制伺服电机工作在速度模式,并通过PID控制器控制调节伺服电机输入电流从而控制伺服电机的转速,启用张力器的主动送线模式,同时,所述拉簧调节装置调节拉簧,以保持运行张力值与张力阈值相同。
实施例二:
本实施例与实施例一的区别在于:参见附图3所示,实施例一中,所述张力传感器与张力设定控制器3一体,本实施例中,所述张力传感器独立于张力设定控制器3设置,其余与实施例一相同,这里不再赘述。
实施例三:
本实施例与实施例一的区别在于:参见附图5及附图7所示,所述拉簧调节装置包括拉簧杆48、拉簧杆转轴及电机45;
所述拉簧杆48通过拉簧杆转轴转动支撑在所述基板1上,拉簧杆转轴与电机45输出轴之间通过蜗轮蜗杆机构传动连接;
所述张力杆41的一端转动支撑于基板1上;
所述拉簧42的一端固定在张力杆41上,拉簧42的另一端固定在拉簧杆48上。
其余与实施例一相同,这里不再赘述。
实施例四:
本实施例与实施例三之间的区别在于:实施例三中,所述张力传感器与张力设定控制器3一体,本实施例中,所述张力传感器独立于张力设定控制器3设置,其余与实施例三相同,这里不再赘述。
上述实施例中,所述张力传感器设于张力设定控制器上或独立于张力设定控制器,均可达到相同效果。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点,其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种适用于主动/被动送线模式的张力控制方法,包括一基板及张力设定控制器,所述基板上设置有张力线轮和张力调节机构,张力线轮转动支撑在基板上,所述张力调节机构包括张力杆、拉簧及拉簧调节装置,拉簧设于张力杆与拉簧调节装置之间;其特征在于:
还包括伺服电机及张力传感器,对应于该伺服电机设置有PID控制器;
所述张力线轮的转轴与一伺服电机的输出轴传动连接;
通过所述张力设定控制器预设张力阈值;
所述张力传感器将其采集到的实时张力传输至伺服电机驱动控制器;
当所述张力传感器采集到的实时张力值大于或等于所述张力阈值时,所述伺服电机驱动控制器控制伺服电机工作在转矩控制模式,并通过PID控制器控制调节伺服电机输入电流从而调节伺服电机的转矩,启用张力器的被动送线模式,以保持运行张力值与张力阈值相同;
当所述张力传感器采集到的实时张力值小于或等于所述张力阈值时,所述伺服电机驱动控制器控制伺服电机工作在速度模式,并通过PID控制器控制调节伺服电机输入脉冲的频率从而控制伺服电机的转速,启用张力器的主动送线模式,同时,所述拉簧调节装置调节拉簧,以保持运行张力值与张力阈值相同。
2.一种适用于主动/被动送线模式的张力控制方法,应用于张力器,其特征在于:
所述张力器上的张力线轮由伺服电机驱动,通过张力传感器采集张力器输出的实时张力值;
首先预设一张力阈值;
当所述实时张力值大于或等于所述张力阈值时,所述伺服电机驱动控制器控制伺服电机工作在转矩控制模式,并通过PID控制器控制调节伺服电机输入电流从而调节伺服电机的转矩,启用张力器的被动送线模式,以保持运行张力值与张力阈值相同;
当所述实时张力值小于或等于所述张力阈值时,所述伺服电机驱动控制器控制伺服电机工作在速度模式,并通过PID控制器控制调节伺服电机输入电流从而控制伺服电机的转速,启用张力器的主动送线模式,同时,所述张力器上的张力调节机构调节输出的运行张力值,以保持运行张力值与张力阈值相同。
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